南京土壤所在区域重金属多介质分配及源解析研究方面取得进展,武汉植物园湖泊底泥重金属污染高光谱监测研究获进展

近年来,强烈人为活动已经导致我国部分区域重金属污染日趋严重,严重威胁土壤环境质量和农产品安全。区域土壤、作物乃至大气重金属污染已经成为我国当前面临的重大环境问题。目前在区域农田重金属污染识别与污染形成机制方面,虽然初步揭示了土壤重金属污染特征、迁移转化机制和环境风险,但针对区域土壤、作物、大气等多介质系统及复合污染条件下重金属的多介质分配规律、污染成因及健康风险的研究明显滞后。

大量化石能源和矿物资源的消耗,造成大量大气镉、铜等重金属排放和沉降,对公众健康和土壤生态环境造成危害。大气沉降重金属是地球表生生态环境中重金属的重要来源,其在土壤重金属生物地球化学过程中扮演着重要的角色。因此,揭示大气沉降重金属在农田土壤中的环境行为、对作物富集效应的研究有重要意义。

湖泊重金属污染具有高毒性、致癌性和持久性等特征,威胁着水生生物及人类健康安全。湖泊底泥作为重金属沉降富集的受体,富集其中的重金属可被水生植物吸收,或因扰动再次释放造成二次污染。因此,加强底泥重金属的污染监测具有重要意义。底泥重金属来源广泛(如大气降尘、工业废弃物、汽车磨损排放、农药化肥),且分布具有较大空间异质性,加重了监测的难度和成本。已有研究提出,高光谱技术可以有效估测土壤属性信息。但由于底泥中的重金属含量相较于C、N等多量元素极微,其波谱特征也往往被其信息所掩盖。故而,利用高光谱技术对底泥中重金属反演的能力及精度受到争议。

中国科学院南京土壤研究所研究员黄标团队近年来通过对南京沿江流域土壤、沉积物、作物、大气沉降等不同环境介质中重金属的富集特征、多介质分配、来源和健康风险进行研究,明确了施肥、大气沉降等因素对农田Cd和Pb等重金属的输入通量,结合正定矩阵因子分析模型、Pb稳定同位素示踪、GIS空间分析等多种技术手段,建立了区域农田重金属的定量源解析方法,揭示了农田土壤重金属的主要来源及其贡献。通过评价该区域土壤、沉积物中重金属的潜在风险以及作物重金属的健康风险,明确了重金属多介质风险的分配状况,结合地理探测器(Geodetector)模型揭示了影响重金属健康风险的关键驱动因子。通过对苏南典型工业区周边土壤和水稻中Hg污染状况与来源的研究发现,尽管部分Hg污染较重的工业企业已经搬迁或进行产业结构调整,农田土壤和稻米中Hg的污染状况仍然不容乐观,并且土壤Hg污染呈现明显的带状分布特征,且与当地的工业布局与主导风向有关。结合Hg稳定同位素组成特征分析,发现大气沉降是该区域农田土壤Hg的重要来源之一。这些研究结果将有效丰富和拓展区域农田重金属的定量源解析方法,对农田重金属污染防控、农业安全生产及农田环境质量综合管理具有重要指导意义和参考价值。相关成果近期在Environmental
Pollution
(2018, 237: 650-661; 2018, 243: 1047-1056)和Ecotoxicology
and Environmental Safety
(2018, 163: 230-237)上发表。

在国家自然科学基金项目的资助下,中国科学院南京土壤研究所周静课题组选择目前我国最大的现代化铜冶炼厂周边作为典型研究区域,系统采集了6年大气湿沉降和干沉降样品,通过长时间、多点位的监测研究该冶炼厂周边大气重金属沉降的时空分布。另外,通过土壤置换实验,将不同沉降通量梯度区域(高沉降区、中沉降区、背景区)土壤互换,同时开展原地生态系统和搬运至此生态系统的对比研究,分析新沉降重金属在土壤中分布和生物有效性,确定新沉降重金属对农作物富集重金属的贡献,评估在大气重金属沉降区域人体摄入稻米和蔬菜的健康风险。研究结果发现,冶炼厂周边大气重金属Cu、Cd、Pb沉降通量显著高于背景区,另外具有明显的时空异质性。湿沉降重金属主要以“3Kda的离子和小的胶体态存在,干沉降重金属也有一定比例以可交换态赋存,表明大气沉降重金属具有较高的生物活性。土壤置换盆栽实验结果表明,铜冶炼厂周边大气新沉降下来的重金属主要以高生物有效态滞留在土壤的表层,高的生物有效态也随之带来高的生物效应。大气新沉降的重金属通量不到土壤原有重金属库存量的1%,但这部分重金属对农作物可食用部分重金属Cu、Cd、Pb的累积贡献可达到20-85%,这也增加人体摄入当地生产的农作物所带来的健康风险。该研究揭示了农田土壤重金属污染风险管控中应重点关注大气沉降重金属的影响,在进行土壤修复过程中,也应重点关注大气沉降重金属的影响。

新京葡娱乐场手机版 ,中国科学院武汉植物园以东湖底泥的重金属污染为例,分析了高光谱技术在反演重金属As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn的可行性,并讨论了重金属的反演机理。结果表明,光谱模型对重金属的反演能力差异显著,其中Cd、Hg、Ni和Pb被反演性较高,As、Cr、Cu和Zn无法被反演,该结果取决于重金属与TOC的内在关系与共生机制。该研究可为光谱快速获取高异质性土壤重金属污染信息提供参考。

以上研究得到国家自然科学基金、科技部国家科技支撑计划和江苏省科技厅重大科技示范项目的资助。围绕上述研究方向与成果,研究团队副研究员胡文友和博士后张艳霞近期分别获得国家自然科学基金面上项目和青年基金项目资助。

部分研究结果发表在Journal of Hazardous Materials上。

相关研究成果发表在Catena上。研究工作得到了本研究得到国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划、中科院率先行动“百人计划”的资助。

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